Bodemeffekten bij HF-antennes 2
Fig. 2.
7. Wanneer men de toepasselijke reflektiefaktoren verwerkt in het stralingsdiagram in de vrije ruimte van een vertikale halve golflengte antenne, ontstaan stralingsdiagrammen zoals in fig. 2 zijn gegeven. Aangezien de vertikale halve golflengte antenne in het horizontale vlak geen richteffekt heeft, is slechts een diagram nodig. Het horizontale diagram van de straling in de vrije ruimte is een cirkel, het resultant van de reflektiefaktor is dus in alle horizon-tale richtingen hetzelfde.
In de diagrammen in fig. 2 valt op, dat er bij de vertikale hoek van 90° steeds een minimum voorkomt. Er vindt n.l. geen uitstraling plaats in de richting van het uiteinde van de vertikale antenne. Derhalve vindt, ongeacht de reflektiefaktor voor deze hoek, geen uitstraling recht omhoog plaats. Bij alle opstellingshoogten heeft dus de vertikale halve golflengte antenne een stralingsminimum bij 90°.
Ook valt op, dat naarmate de antenne hoger wordt opgesteld meer lussen in het diagram voorkomen. Bij een antennehoogte van b.v. een kwart golflengte (fig. 2a) komen twee lussen voor. Wordt de antennehoogte tot een halve golflengte vergroot, dan ontstaan vier lussen (fig. 2b). De breedte van de bovenste lussen is veel kleiner dan die van de lussen welke evenwijdig met de grond lopen. Op een hoogte van drie kwart golflengten zijn er nog vier lussen, doch is de breedte van de bovenste lussen toegenomen, zoals in C.
In D is de hoogte op een hele golflengte gebracht en verschijnen zes lussen.
Veranderingen in de stralingsweerstand
A. De stralingsweerstand bedraagt, gemeten in het midden van een halve golflengte antenne in de vrije ruimte, 73 Ohm. In de praktijk kan de stralingsweerstand van een boven de grond opgestelde halve golflengte antenne echter iedere waarde hebben tussen 0 en bijna 100 Ohm. De juiste waarde van de stralingsweerstand is afbankelijk van de antennehoogte boven de grond.
B. Deze verandering van de stralingsweerstand is een gevolg van de invloed van de door de grond teruggekaatste golf. Deze teruggekaatste golf induceert een zekere spanning, welke een stroom doet vloeien in de antenne.
De fase van deze geihduceerde stroom t.o.v. de stroom, welke door de zender aan de antenne wordt gelegd, is afhankelijk van de hoogte en de richting van de antenne. Bij sommige antennehoogten is het mogelijk, dat de beide stromen in fase zijn, zodat dan de totale antennestroom groter is dan wanneer geen terugkaatsing op de grond had plaats gevonden. Bij andere antennehoogten is het mogelijk, dat de twee stromen 180° in fase verschillen zodat dan de totale antennestroom minder groot is dan wanneer geen terugkaatsing op de grond had plaats gevonden. Tussenliggende hoogten veroorzaken weer andere faseverschillen tussen de twee stromen, zodat grote verschillen in de stralingsweerstand, afhankelijk van de opstellingshoogte, mogelijk zijn.
C. Indien een gegeven vermogen aan een antenne wordt toegevoerd en de antennestroom toeneemt, gedraagt de antenne zich alsof er de stralingsweerstand van werd verkleind. Daar de Ohmse weerstand van de antenne niet verandert, wordt de stralingsweerstand inderdaad minder groot.
Is de antennehoogte dusdanig, dat de totale antennestroom afneemt, dan wordt ook de stralingsweerstand van de antenne groter.
D. De verschillende waarden voor de stralingsweerstand van een halve golflengte antenne bij verschillende opstellingshoogten zijn in fig. 3 in grafiekvorm weergegeven. De getrokken curve geeft de stralingsweerstand van een horizontale halve golflengte antenne, de gestippelde curve de stralingsweerstand van een vertikale halve golflengte antenne. De stralingsweerstand van de horizontale antenne loopt gelijkmatig op tot een waarde van 98 Ohm bij een hoogte van ongeveer drie achtste golflengten. Daarna loopt de stralingsweerstand terug tot een waarde van 58 Ohm bij een hoogte van ongeveer vijf achtste golflengten om vervolgens beurtelings toe en af to nemen bij een gemiddelde waarde van 73 Ohm, hetgeen de waarde voor een antenne in de vrije ruimte is. Naarmate de hoogte toeneemt neemt de mate van variatie af. De curve lijkt op die van een gedempte trilling.
Fig. 3. Verband tussen stralingsweerstand en opstellingshoogte van een halve golfantenne.
E. De stralingsweerstand van een vertikale antenne is veel meer gelijkmatig dan die van een horizontale antenne. De stralingsweerstand heeft een maximale waarde van 100 Ohm, wanneer het midden van de antenne zich op een kwart golflengte boven de grond bevindt, om geleidelijk tot een minimum van 70 Ohm bij een hoogte van een halve golflengte of te nemen. Vervolgens neemt de weerstand slechts weinig wisselende waarden aan, waarbij de gemiddelde waarde even boven die voor de horizontale halve golflengte antenne in de vrije ruimte ligt.
F. Door de verschillende waarden voor de antennestroom en de stralingsweerstand bij verschillende antennehoogten wisselt de veldsterkte, die een bepaalde antenne produceert, eveneens.
In het algemeen gezegd, neemt de veldsterkte toe naarmate de stralingsweerstand afneemt.
Bodemeffekten in de praktijk
1. Alle tot nu toe beschreven effekten waren het gevolg van terrein met een gelijkmatige en hoge graad van geleidbaarheid. In de praktijk is in de aard van het terrein waarop een antenne wordt opgesteld een grote verscheidenheid mogelijk. Dit is niet alleen het gevolg van de grondsoort, maar ook van de wijze waarop deze voorkomt. Zo kan een antenne boven een plaats met lage of hoge geleidbaarheid worden opgesteld, terwijl het terrein in de onmiddellijke omgeving van de antenne een ongelijkmatige geleidbaarheid bezit.
Al deze eigenschappen hebben een zekere invloed op de vorm van het stralingsveld en de weerstand van de antenne.
De volgende tabel geeft een overzicht van de relatieve geleidbaarheid van de verschillende oppervlakken die onder een antenne kunnen worden aangetroffen.
Het verschil in geleidbaarheid kan zeer groot zijn, het verschil in bodemeffekt naar de aard van het terrein is dus niet verwonderlijk.
| Aard van de bodem | Relatieve geleidbaarheid |
|---|---|
| Zeewater | 4500 |
| Vlakke "vette" grond | 15 |
| Gemiddelde, vlakke grond | 7 |
| Zoetwater meren | 6 |
| Rotsachtig en heuvelachtig | 2 |
| Droge, vlakke zandgrond | 2 |
| Stedelijke woonwijk | 2 |
| Stedelijke industriewijk | 1 |
2. Tenzij de grond een vrijwel ideale geleider is, zal de amplitude van de door de grond teruggekaatste golf veel kleiner zijn dan deze voor de terugkaatsing was. Een deel van de golf werd nl. niet teruggekaatst dock geabsorbeerd. Dergelijke absorbtie wordt bodemverlies genoemd. Als gevolg daarvan wordt de waarde van de reflektiefaktor aanmerkelijk kleiner. Zoals in 1 is verklaard is de maximale reflektiefaktor 2. Bij die hoeken in het vertikale vlak waarbij de faktor 2 is, is de totale signaalsterkte (de som dus van de direkte en de door de grond teruggekaatste golven) tweemaal die van de direkte golf alleen. Indien de grond een slechte geleider is, is de waarde van de maximale reflektiefaktor aanmerkelijk minder dan 2. Dientengevolge zullen ook de maximurn-stralingslussen nooit tweemaal de waarde zonder grondreflektie bereiken. Bovendien ontstaan boven een nietideaal geleidend oppervlak nooit volkomen minima.
Om een dergelijk volkomen minimum te veroorzaken moet de teruggekaatste golf een faseverschil van 180° t.o.v. en dezelfde amplitude als de direkte golf hebben. Alleen dan heffen de golven elkaar geheel op en ontstaat er een volkomen minimum. Indien de grond geen ideale geleider is, vindt gedeeltelijk absorbtie en dus geen totale reflektie van de golf plaats. Er treedt bodemverlies op en de amplitude van de door de grond teruggekaatste golf wordt verkleind. Onder een gegeven hoek kan dus geen algehele opheffing plaatsvinden. I.p.v. een minimum ontstaat slechts een vermindering van de totale signaalsterkte. Boven terrein waarbij geen bodemverlies optreedt kan de reflektiefaktor elke waarde tussen 0 en 2 hebben. Bij slechts matige geleidbaarheid van de bodem kan de faktor echter een maximum waarde van b.v. 1,5 hebben bij een minimum van b.v. 0,5. Het vertikale stralingsdiagram geeft dan een aantal punten met hogere en lagere signaalsterkten aan, i.p.v. een aantal maxima met de dubbele signaalsterkte en een aantal minima met signaalsterkte nul.
Indien de grond een zeer slechte geleider is, wordt vrijwel alle naar de grond uitgestraalde energie geabsorbeerd en vindt daarvan geen terugkaatsing plaats. De reflektiefaktor is dan 1 voor een groot aantal hoeken in het vertikale vlak, waardoor het stralingsdiagram vrijwel gelijk zal zijn aan dat in de vrije ruimte.
3. Uit het voorgaande zou, gezien de betrekkelijk geringe geleidbaarheid bij vrijwel iedere bodemgesteldheid, kunnen worden opgemaakt dat de voorgaande behandeling van de bodemeffekten van slechts gering praktisch belang is. Dit is echter beslist niet zo.
Bij HF-frequenties van 1,8 MHz doet de radiogolf die de aarde treft daarin stromen vloeien, die tot een diepte van ruim 15 meter kunnen doordringen!
In het algemeen vindt de diepste penetratie plaats wanneer de toplaag van de aarde geringe geleidbaarheid bezit. Zo is dus, hoewel de feitelijke geleidbaarheid van de grond gering kan zijn, het volume waarin stromen kunnen vloeien aanzienlijk. Als een gevolg daarvan is de weerstand van de bodem gering en fungeren de meeste bodemtypes in de praktijk als nogal goede reflektoren. Er treedt slechts een gering bodemverlies op, de reflektiefaktoren varieren van 0 tot 2.
Voor de 160 meterband dus zijn de reeds gegeven vertikale stralingsdiagrammen vrijwel onveranderd juist.
4. Bij frequenties tussen 3 en 30 MHz dringt een radiogolf niet dieper dan 1,5 tot 3 meter in de bodem door!
Tenzij de antenne boven zout water of boven zeer goed geleidende grond is opgesteld, zullen er belangrijke bodemverliezen optreden. Ook zal een groot deel van de onder een vertikale hoek van minder dan 10° tot 12° uitgestraalde energie worden geabsorbeerd. Bij uitstraling onder een zeer geringe hoek (ongeveer 1° tot 3°) vindt er door bodemverlies in die mate absorbtie plaats, dat de reflektiefaktor tot een zeer lage waarde wordt teruggebracht. Deze faktor moet dan in de diagrammen, die in fig. 2 werden gegeven, worden verwerkt. Uit de nieuwe diagrammen moet blijken dat onder zeer geringe vertikale hoeken de veldsterkte zeer gering of nihil is. De grote stralingslus parallel met de grond neemt dus in belangrijkheid of en Tangs de grond ontstaat een minimum.
5. Fig. 3 geeft een grafische voorstelling van de veranderingen in de stralingsweerstand van halve golflengte antennes bij verschillende hoogten boven de grond. Deze curven zijn gebaseerd op de aanwezigheid van grond met zeer grote geleidbaarheid onder de antenne, zodat, indien dergelijke grond niet aanwezig is, de curven moeten worden gewijzigd.
In het algemeen zullen voor antenneopstellingen boven minder goed geleidende grond deze curven iets naar links moeten worden verschoven. Ook zullen de verschillen tussen de opeenvolgende maxima en minima minder groot zijn zodat de curven een vlakker verloop krijgen.
De veranderingen in de stralingsweerstand naar gelang van de opstellingshoogte van de antenne worden dus minder groot.
6. Het is niet steeds mogelijk om de vraag wat de hoogte van een antenne boven de grond is te beantwoorden. Men zou kunnen veronderstellen dat het voldoende is de afstand tussen de antenne en de grond te meten. Bij de toepassing van de reflektiefaktoren en stralingsdiagrammen zou dit echter geen juiste resultaten opleveren. In de praktijk moet men een bepaalde lengte aan de gemeten hoogte toevoegen. Het is alsof terugkaatsing plaats vindt op een vlak dat zich op enige afstand onder het oppervlak bevindt.
Indien de grond een ideale geleider was zou de radiogolf niet in de aarde doordringen. Reflektie zou dan op het aardoppervlak plaatsvinden en de ware hoogte zou kunnen worden aangehouden. De "diepte" van het vlak waarop de terugkaatsing schijnt plaats te vinden bevindt zich onder het oppervlak en wordt hoofdzakelijk bepaald door de bodemgesteldheid en de gebruikte frequentie. Omdat deze diepte moeilijk precies kan worden vastgesteld is het niet goed mogelijk de uitwerking op het stralingsdiagram en de weerstand van een antenne nauwkeurig vast te stellen.
Voor de praktijk voldoende nauwkeurige resultaten worden echter verkregen door ongeveer een meter aan de ware hoogte toe te voegen.
Grondschermen
1. Een grondscherm bestaat uit een vrij groot oppervlak metaalgaas dat onder de antenne op het aardoppervlak wordt gelegd. Voor dit doel bestaan grote matten speciaal uit koper of uit verkoperd of gegalvaniseerd ijzer vervaardigd gaas.
Ook is het mogelijk gewoon kippegaas te gebruiken; wel zal hierbij enig verlies optreden. Indien matten gaas worden gebruikt, moeten deze op een aantal plaatsen aan elkaar worden gesoldeerd of gelast teneinde de weerstand van het scherm beperkt te houden. Men kan een grondscherm zonder meer op de grond leggen; lagere verliezen treden echter op indien het m.b.v. aardpennen wordt geaard. Deze aardpennen dienen 1 à 2½ meter de grond in te worden gedreven en door solderen of lassen met het scherm te worden verbonden.
2. Het doel van het grondscherm is om het effekt van een ideaal geleidend oppervlak onder de antenne na te bootsen.
Het scherm moet zich in alle richtingen over een aanzienlijke afstand om de antenne uitstrekken. In de praktijk strekt zich een grondscherm echter zelden verder dan iets meer of minder dan een halve golflengte in alle richtingen uit.
3. Het gebruik van een grondscherm brengt twee duidelijke voordelen met zich mede. Ten eerste worden door een grondscherm de bodemverliezen bij opstellingen boven slecht geleidend terrein verkleind.
Ten tweede staat bij het gebruik van een grondscherm de hoogte boven de grond van de antenne nauwkeurig vast.
Daardoor kan de stralingsweerstand van de antenne zuiverder worden bepaald en kunnen de stralingsdiagrammen van de antenne met grotere nauwkeurigheid worden voorspeld.
4. Om een grondscherm ook de straling onder zeer kleine hoeken te doen beihvloeden zou het in de praktijk onmogelijke afmetingen moeten bezitten, daar de grondreflekties die deze uitstraling beihvloeden op aanzienlijke afstand van de antenne plaatsvinden. Een grondscherm dat zich in alle richtingen tot op een halve golflengte van de antenne uitstrekt zal slechts de straling onder grote hoeken beinvloeden daar de terugkaatsing die deze uitstraling beïnvloedt vrij dicht bij de antenne plaats vindt. Vooral hierbij is het gebruik van een grondscherm dus doeltreffend.
Geraadpleegde lektuur
- The ARRL antenna handbook.
- Optimalisierung der vertikalen Feldstarke am Boden mittels Drahtgitters. Karl Bauer, Telefunken sonderdruck AH214.
PA0VER, John.
Deel 1 - deel 2.